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Hidrógeno triatómico

El hidrógeno triatómico o H 3 es una molécula triatómica inestable que contiene solo hidrógeno . Dado que esta molécula contiene solo tres átomos de hidrógeno, es la molécula tr...

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El hidrógeno triatómico o H 3 es una molécula triatómica inestable que contiene solo hidrógeno . Dado que esta molécula contiene solo tres átomos de hidrógeno, es la molécula triatómica más simple [1] y es relativamente fácil resolver numéricamente la descripción de la mecánica cuántica de las partículas. Al ser inestable, la molécula se rompe en menos de una millonésima de segundo. Su vida fugaz lo hace raro, pero se forma y se destruye con bastante frecuencia en el universo gracias a la frecuencia del catión trihidrógeno . El espectro infrarrojo del H 3 debido a la vibración y la rotación es muy similar al del ion H+
3En el universo primitivo, esta capacidad de emitir luz infrarroja permitió que el hidrógeno y el helio primigenios se enfriaran y formaran estrellas.

Formación

La molécula neutra se puede formar en un tubo de descarga de gas a baja presión . [2]

Se puede formar un haz neutro de H 3 a partir de un haz de H+
3iones que pasan a través del potasio gaseoso , que dona un electrón al ion, formando K + . [3] Otros metales alcalinos gaseosos, como el cesio , también se pueden utilizar para donar electrones. [4] H+
3Los iones se pueden formar en un duoplasmatrón , donde una descarga eléctrica pasa a través de hidrógeno molecular a baja presión. Esto hace que una parte del H 2 se convierta en H+
2. Entonces H 2 + H+
2 → O+
3+ H. La reacción es exotérmica con una energía de 1,7 eV, por lo que los iones producidos están calientes y tienen mucha energía vibracional. Estos pueden enfriarse mediante colisiones con un gas más frío si la presión es lo suficientemente alta. Esto es importante porque los iones que vibran fuertemente producen moléculas neutras que vibran fuertemente cuando se neutralizan según el principio de Franck-Condon . [3]

Ruptura

El H3 puede descomponerse de las siguientes maneras:

H3 → H+3+ e − [5]
H3 → H + H2
H3 → 3H
2H3 → 3H2​

Propiedades

La molécula sólo puede existir en un estado excitado. Los diferentes estados electrónicos excitados se representan mediante símbolos para el electrón externo nLΓ, donde n es el número cuántico principal, L es el momento angular electrónico y Γ es la simetría electrónica seleccionada del grupo D 3h . Se pueden adjuntar símbolos adicionales entre corchetes que muestren la vibración en el núcleo: {s,d l }, donde s representa el estiramiento simétrico, d el modo degenerado y l el momento angular vibracional. Se puede insertar otro término para indicar la rotación molecular: (N,G) donde N es el momento angular aparte de los electrones proyectados sobre el eje molecular y G es el número cuántico conveniente de Hougen determinado por G=l+λ-K. Esto suele ser (1,0), ya que los estados rotacionales están restringidos por las partículas constituyentes, que son todas fermiones . Ejemplos de estos estados son: [5] 2sA 1 ' 3sA 1 ' 2pA 2 " 3dE' 3DE" 3dA 1 ' 3pE' 3pA 2 ". El estado 2p 2 A 2 " tiene una vida útil de 700 ns. Si la molécula intenta perder energía y pasar al estado fundamental repulsivo , se rompe espontáneamente. El estado metaestable de energía más baja, 2sA 1 ' tiene una energía de -3,777 eV por debajo del H+
3y e − pero se desintegra en alrededor de 1  ps . [5] El estado fundamental inestable designado 2p 2 E' se descompone espontáneamente en una molécula de H 2 y un átomo de H. [1] Los estados sin rotación tienen una vida útil más larga que las moléculas giratorias. [1]

El estado electrónico de un catión trihidrógeno con un electrón deslocalizado a su alrededor es un estado de Rydberg . [6]

El electrón externo puede ser impulsado a un estado alto de Rydberg y puede ionizarse si la energía llega a 29562,6 cm −1 por encima del estado 2pA 2 ", en cuyo caso H+
3formas. [7]

Forma

Se predice que la forma de la molécula será un triángulo equilátero . [1] Las vibraciones pueden ocurrir en la molécula de dos maneras: en primer lugar, la molécula puede expandirse y contraerse manteniendo la forma de triángulo equilátero (respiración), o un átomo puede moverse en relación con los demás distorsionando el triángulo (flexión). La vibración de flexión tiene un momento dipolar y, por lo tanto, se acopla a la radiación infrarroja. [1]

Espectro

Gerhard Herzberg fue el primero en encontrar líneas espectroscópicas de H 3 neutro cuando tenía 75 años en 1979. Más tarde anunció que esta observación era uno de sus descubrimientos favoritos. [8] Las líneas surgieron de un tubo de descarga catódica. [8] La razón por la que los observadores anteriores no pudieron ver ninguna línea espectral de H 3 se debió a que estaban inundadas por el espectro del mucho más abundante H 2 . El avance importante fue separar el H 3 para que pudiera observarse solo. La separación utiliza la separación de los iones positivos por espectroscopia de masas, de modo que el H 3 con masa 3 se puede separar del H 2 con masa 2. Sin embargo, todavía hay algo de contaminación de HD , que también tiene masa 3. [3] El espectro de H 3 se debe principalmente a las transiciones al estado de vida más larga de 2p 2 A 2 ". El espectro se puede medir mediante un método de fotoionización de dos pasos. [1]

Las transiciones que caen al estado inferior 2s 2 A 1 ' se ven afectadas por su muy corta vida útil en lo que se llama predisociación . Las líneas espectrales involucradas se ensanchan. [3] En el espectro hay bandas debido a la rotación con las ramas PQ y R. La rama R es muy débil en el isotópomero H 3 pero fuerte con D 3 (trideuterio). [3]

El modo de vibración de estiramiento simétrico tiene un número de onda de 3213,1 cm −1 para el nivel 3s 2 A 1 ' y 3168 cm −1 para 3d 2 E" y 3254 cm −1 para 2p 2 A 2 ". [1] Las frecuencias vibracionales de flexión también son bastante similares a las de H+
3. [1]

Niveles

Catión

El H relacionado+
3El ion H es el ion molecular más frecuente en el espacio interestelar. Se cree que ha desempeñado un papel crucial en el enfriamiento de las primeras estrellas en la historia del Universo gracias a su capacidad para absorber y emitir fotones con facilidad. [9] Una de las reacciones químicas más importantes en el espacio interestelar es la del H+
3+ e − → H 3 y luego → H 2 + H. [6]

Cálculos

Como la molécula es relativamente simple, los investigadores han intentado calcular las propiedades de la molécula ab-initio a partir de la teoría cuántica. Se han utilizado las ecuaciones de Hartree-Fock . [10]

Ocurrencia natural

El hidrógeno triatómico se formará durante la neutralización de H+
3Este ion se neutralizará en presencia de gases distintos del He o el H 2 , ya que puede sustraer un electrón. Así, el H 3 se forma en la aurora de la ionosfera de Júpiter y Saturno. [11]

Historia

Modelo de hidrógeno triatómico de Stark de 1913

JJ Thomson observó H+
3Mientras experimentaba con rayos positivos , creía que era una forma ionizada de H 3 desde aproximadamente 1911. Creía que el H 3 era una molécula estable y escribió y dio conferencias sobre ello. Afirmó que la forma más fácil de fabricarlo era apuntar al hidróxido de potasio con rayos catódicos. [8] En 1913, Johannes Stark propuso que tres núcleos de hidrógeno y electrones podían formar una forma de anillo estable. En 1919, Niels Bohr propuso una estructura con tres núcleos en línea recta, con tres electrones orbitando en un círculo alrededor del núcleo central. Creía que el H 3 era una molécula estable.+
3sería inestable, pero ese H reaccionante−
2con H + podría producir H3 neutro . La estructura de Stanley Allen tenía forma de hexágono con electrones y núcleos alternados. [8]

En 1916 Arthur Dempster demostró que el gas H3 era inestable, pero al mismo tiempo también confirmó que el catión existía. En 1917 Gerald Wendt y William Duane descubrieron que el gas hidrógeno sometido a partículas alfa se encogía en volumen y pensaron que el hidrógeno diatómico se convertía en triatómico. [8] Después de esto, los investigadores pensaron que el hidrógeno activo podría ser la forma triatómica. [8] Joseph Lévine llegó al punto de postular que los sistemas de baja presión en la Tierra se producían debido al hidrógeno triatómico en lo alto de la atmósfera. [8] En 1920 Wendt y Landauer llamaron a la sustancia "Hyzone" en analogía con el ozono y su reactividad adicional sobre el hidrógeno normal. [12] Anteriormente, Gottfried Wilhelm Osann creyó haber descubierto una forma de hidrógeno análoga al ozono a la que llamó "Ozonwasserstoff". Se fabricaba mediante electrólisis de ácido sulfúrico diluido. En aquellos días nadie sabía que el ozono era triatómico, por lo que no anunció el hidrógeno triatómico. [13] Más tarde se demostró que se trataba de una mezcla con dióxido de azufre y no de una nueva forma de hidrógeno. [12]

En la década de 1930 se descubrió que el hidrógeno activo era hidrógeno contaminado con sulfuro de hidrógeno , y los científicos dejaron de creer en el hidrógeno triatómico. [8] Los cálculos mecánicos cuánticos mostraron que el H 3 neutro era inestable, pero que el H ionizado+
3[8] Cuando apareció el concepto de isótopos, gente como Bohr pensó que podría haber un eka-hidrógeno con peso atómico 3. Esta idea se demostró más tarde con la existencia del tritio , pero esa no fue la explicación de por qué se observó un peso molecular 3 en los espectrómetros de masas. [ 8] JJ Thomson creyó más tarde que la molécula de peso molecular 3 que observó era deuteruro de hidrógeno . [13] En la nebulosa de Orión se observaron líneas que se atribuyeron al nebulio que podría haber sido el nuevo elemento eka-hidrógeno, especialmente cuando su peso atómico se calculó como cercano a 3. Más tarde se demostró que se trataba de nitrógeno y oxígeno ionizados. [8]

Gerhard Herzberg fue el primero en observar realmente el espectro del H 3 neutro , y esta molécula triatómica fue la primera en tener un espectro de Rydberg medido donde su propio estado fundamental era inestable. [1]

Véase también

  • FM Devienne , uno de los primeros en estudiar las propiedades energéticas del hidrógeno triatómico.

Referencias

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  2. ^ Binder, JL; Filby, EA; Grubb, AC (1930). "Hidrógeno triatómico". Nature . 126 (3166): 11–12. Código Bibliográfico :1930Natur.126...11B. doi :10.1038/126011c0. S2CID  4142737.
  3. ^ abcde Figger, H.; W. Ketterle; H.Walther (1989). "Espectroscopia de hidrógeno triatómico". Zeitschrift für Physik D . 13 (2): 129-137. Código bibliográfico : 1989ZPhyD..13..129F. doi :10.1007/bf01398582. ISSN  0178-7683. S2CID  124478004.
  4. ^ Laperle, Christopher M; Jennifer E Mann; Todd G Clements; Robert E Continetti (2005). "Experimentando experimentalmente la dinámica de predisociación de tres cuerpos de los estados de Rydberg de baja altitud de H3 y D3". Journal of Physics: Conference Series . 4 (1): 111–117. Bibcode :2005JPhCS...4..111L. doi : 10.1088/1742-6596/4/1/015 . ISSN  1742-6588.
  5. ^ abc Helm H. et al.: de estados ligados a estados continuos en hidrógeno triatómico neutro. en: Recombinación disociativa, ed. S. Guberman, Kluwer Academic, Plenum Publishers, EE. UU., 275-288 (2003) ISBN 0-306-47765-3 
  6. ^ ab Tashiro, Motomichi; Shigeki Kato (2002). "Estudio de dinámica cuántica sobre la predisociación de H 3 Afirma Rydberg: Importancia del mecanismo indirecto". The Journal of Chemical Physics . 117 (5): 2053. Bibcode :2002JChPh.117.2053T. doi :10.1063/1.1490918. hdl : 2433/50519 . ISSN  0021-9606.
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  9. ^ Shelley Littin (11 de abril de 2012). «H3+ La molécula que creó el universo». Archivado desde el original el 12 de febrero de 2015. Consultado el 23 de julio de 2013 .{{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )
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